机械手的plc系统设计.docx

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机械手的plc系统设计

摘要

机械手是近几十年发展起来的一种高科技自动化生产设备。

通过编程来完成各种动作，它的准确性和多自由度，保证了机械手能在各种不同的环境中工作。

机械手在工业生产中应用较多，机械手的使用能够显著的提高生产效率，减少人为因素造成的废次品率。

机械手可以完成很多工作，它在自动化车间中用来运送物料，从事多种工艺操作。

它的特点是通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器人的部分优点，尤其体现了人的灵活协调和机器人的精确到位。

机械手是在机械自动化生产中逐步发展出的一种新型装置。

现代生产过程中机械手被广泛的应用到自动生产线中。

机械手目前虽然不如人手的灵活多变，但它具有重复性，无疲劳，不惧危险，有大的抓举力量，因此越来越多的被广泛运用。

机械手技术涉及机械学、力学、自动控制技术、传感技术、电气液压技术，计算机可编程技术等，是一门跨学科综合技术。

本课题在执行机构由电动和液压组成的结构基础上将PLC应用于其自动控制系统，完成机械手系统的硬件及软件设计。

关键词：

自动装卸；机械手；PLC

目录

摘要1

目录2

1.绪论3

1.1课题背景3

1.2机械手的发展4

1.3PLC的发展概况5

1.4可编程控制器的产生5

1.5PLC的定义6

1.6PLC的特点7

1.7课题设计的目的和意义8

2.机械手的概述9

2.1机械手的概述9

2.1.1机械手的组成10

2.1.2应用机械手的意义11

2.2机械手采用PLC控制的优点12

3.机械手的控制系统13

3.1控制系统设计的基本步骤13

3.2控制系统的要求14

3.3系统及原理18

3.3.1系统原理19

3.3.2操作系统19

3.3.3回零程序20

3.3.4手动操作程序21

3.3.5自动操作程序23

3.3.6传送梯形图24

结论26

参考文献27

附录指令一览表28

致谢29

1.绪论

1.1课题背景

随着我国社会经济的迅猛发展，人民物质文化生活水平日益提高，随着工业自动化的普及和发展,控制器的需求量逐年增大。

为了改变落后的生产状态,缓解日趋紧张的供求关系,我们就得研究开发机械手。

新中国成立特别是改革开放以来，我国社会主义现代化建设取得了举世瞩目的伟大成就。

同时，必须清醒地看到，我国正处于并将长期处于社会主义初级阶段。

全面建设小康社会，既面临难得的历史机遇，又面临一系列严峻的挑战。

经济增长过度依赖能源资源消耗，环境污染严重；经济结构不合理，农业基础薄弱，高技术产业和现代服务业发展滞后；自主创新能力较弱，企业核心竞争力不强，经济效益有待提高。

在扩大劳动就业、理顺分配关系、提供健康保障和确保国家安全等方面，有诸多困难和问题亟待解决。

从国际上看，我国也将长期面临发达国家在经济、科技等方面占有优势的巨大压力。

为了抓住机遇、迎接挑战，我们需要进行多方面的努力，包括统筹全局发展，深化体制改革，健全民主法制，加强社会管理等。

与此同时，我们比以往任何时候都更加需要紧紧依靠科技进步和创新，带动生产力质的飞跃，推动经济社会的全面、协调、可持续发展。

进入21世纪，我国作为一个发展中大国，加快科学技术发展、缩小与发达国家的差距，还需要较长时期的艰苦努力，同时也有着诸多有利条件。

中华民族拥有5000年的文明史，中华文化博大精深、兼容并蓄，更有利于形成独特的创新文化。

只要我们增强民族自信心，贯彻落实科学发展观，深入实施科教兴国战略和人才强国战略，奋起直追、迎头赶上，经过15年乃至更长时间的艰苦奋斗，就一定能够创造出无愧于时代的辉煌科技成就。

科技工作的指导方针是：

自主创新，重点跨越，支撑发展，引领未来。

自主创新，就是从增强国家创新能力出发，加强原始创新、集成创新和引进消化吸收再创新。

重点跨越，就是坚持有所为、有所不为，选择具有一定基础和优势、关系国计民生和国家安全的关键领域，集中力量、重点突破，实现跨越式发展。

支撑发展，就是从现实的紧迫需求出发，着力突破重大关键、共性技术，支撑经济社会的持续协调发展。

引领未来，就是着眼长远，超前部署前沿技术和基础研究，创造新的市场需求，培育新兴产业，引领未来经济社会的发展。

这一方针是我国半个多世纪科技发展实践经验的概括总结，是面向未来、实现中华民族伟大复兴的重要抉择。

要把提高自主创新能力摆在全部科技工作的突出位置。

在对外开放条件下推进社会主义现代化建设，必须认真学习和充分借鉴人类一切优秀文明成果。

改革开放20多年来，我国引进了大量技术和装备，对提高产业技术水平、促进经济发展起到了重要作用。

但是，必须清醒地看到，只引进而不注重技术的消化吸收和再创新，势必削弱自主研究开发的能力，拉大与世界先进水平的差距。

总之，必须把提高自主创新能力作为国家战略，贯彻到现代化建设的各个方面，贯彻到各个产业、行业和地区，大幅度提高国家竞争力。

我国科学技术发展的总体目标是：

自主创新能力显著增强，科技促进经济社会发展和保障国家安全的能力显著增强，为全面建设小康社会提供强有力的支撑；基础科学和前沿技术研究综合实力显著增强，取得一批在世界具有重大影响的科学技术成果，进入创新型国家行列，为在本世纪中叶成为世界科技强国奠定基础，形成比较完善的中国特色国家创新体系。

1.2机械手的发展

机械手一般为三类：

一是不需要人工控制的通用型机械手。

它是不属于其他主机的独立装置。

可以根据任务需要编制独立程序完成各项规定操作。

它的特点是具备不同装置的性能之外还具备通用机械及记忆功能的三元型机械。

二是需要人工操作的，起源于原子，军事工业。

先是通过操作完成特定工序，后来逐步发展到无线遥控操作。

第三类是专用机械手，通常依附于自动生产线上，用于机床的上下料和装卸工件。

这种机械手国外叫做“MechanicalHand”。

它由主机驱动来服务，工作程序固定，一半是专用的。

机械手首先是在美国开始研制。

第一台机械手是在1958年美国联合控制公司研究制作出来的。

结构是：

主机安装一个回转长臂，长臂顶端有电磁抓放机构。

日本在工业上应用机械手最多，发展最快的国家，自1969年从美国引进两种机械手后开始大力研发机械手。

前苏联自六十年代开始发展和应用，自1977年，前苏联使用的机械手一半来自国产一半来自进口。

现代工业中，自动化在生产过程中已日趋突出，机械手就是在机械工业中为实现加工、装配、搬运等工序的自动化而产生的。

随着工业自动化的发展，机械手的出现大大减轻了人类的劳动，提高了生产效率。

采用机械手已为目前研究的热重点。

目前机械手在工业上主要用于机床加工、铸造，热处理等方面，但是还不能够满足现代工业发展的需求。

1.3PLC的发展概况

可编程控制器是在计算机技术、通信技术和继电器控制技术的发展基础上开发起来的，现已广泛应用于工业控制的各个领域。

它以微处理器为核心，用编写的程序进行逻辑控制、定时、计数和算术运算等，并通过数字量和模拟量的输入/输出来控制机械设备或生产过程。

1.4可编程控制器的产生

PLC是在激烈的市场竞争中产生的，20世纪60年代末，美国汽车制造业竞争激烈。

为适应生产工艺不断更新的需要，美国通用汽车公司（GM）对控制系统提出要求为：

（1）能替代各种继电器、定时器、接触器及其主令电器等按一定的逻辑关系用导线连接起来的控制系统，既传统的继电－接触器控制，它简单易懂，价格低廉，能够满足生产工艺改动频繁的需要；

（2）编程简单；（3）模块式结构；输入、输出电压是交流115V（美国标准），输出能直接驱动继电器和电磁阀；（4）抗电磁干扰强；（5）具有数据通信功能。

就是把继电器控制的优点与计算机的功能齐全、灵活性、通用性强的特点结合起来，用计算机的编程软件逻辑易于修改来代替继电－接触器控制的硬接线逻辑不易修改。

美国数字设备公司（DEC）在1969年根据上述要求，研制出世界上首台可编程控制器，并在美国通用汽车公司的汽车装配线上应用成功，实现装配线的自动控制。

1.5PLC的定义

PLC问世以来，尽管时间不长，但发展迅速。

为了使其生产和发展标准化，美国电气制造商协会NEMA（NationalElectricalManufactoryAssociation）经过四年的调查工作，于1984年首先将其正式命名为PC（ProgrammableController），并给PC作了如下定义：

“PC是一个数字式的电子装置，它使用了可编程序的记忆体储存指令。

用来执行诸如逻辑，顺序，计时，计数与演算等功能，并通过数字或类似的输入/输出模块，以控制各种机械或工作程序。

一部数字电子计算机若是从事执行PC之功能被视为PC，但不包括鼓式或类似的机械式顺序控制器。

”

以后国际电工委员会（IEC）又先后颁布了PLC标准的草案第一稿，第二稿,并在1987年2月通过了对它的定义：

“可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。

它采用一类可编程的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算,顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。

可编程控制器及其有关外部设备，都按易于与工业控制系5统联成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。

”总之，可编程控制器是一台计算机，它是专为工业环境应用而设计制造的计算机。

它具有丰富的输入/输出接口，并且具有较强的驱动能力。

但可编程控制器产品并不针对某一具体工业应用，在实际应用时，其硬件需根据实际需要进行选用配置，其软件需根据控制要求进行设计编制。

1.6PLC的特点

①高可靠性

1）所有的I/O接口电路均采用光电隔离，使工业现场的外电路与PLC内部电路之间电气上隔离。

2）各输入端均采用R-C滤波器，其滤波时间常数一般为10～20ms。

3）各模块均采用屏蔽措施，以防止辐射干扰。

4）采用性能优良的开关电源。

5）对采用的器件进行严格的筛选。

6）良好的自诊断功能，一旦电源或其他软，硬件发生异常情况，CPU立即采用有效措施，以防止故障扩大。

7）大型PLC还可以采用由双CPU构成冗余系统或有三CPU构成表决系统,使可靠性更进一步提高。

②丰富的I/O接口模块

PLC针对不同的工业现场信号，如：

交流或直流；开关量或模拟量；电压或电流；脉冲或电位；强电或弱电等。

有相应的I/O模块与工业现场的器件或设备，如：

按钮；行程开关；接近开关；传感器及变送器；电磁线圈；控制阀等直接连接。

③采用模块化结构为了适应各种工业控制需要，除了单元式的小型PLC以外，绝大多数PLC均采用模块化结构。

PLC的各个部件，包括CPU，电源，I/O等均采用模块化设计，由机架及电缆将各模块连接起来，系统的规模和功能可根据用户的需要自行组合。

④编程简单易学PLC的编程大多采用类似于继电器控制线路的梯形图形式，对使用者来说，不需要具备计算机的专门知识，因此很容易被一般工程技术人员所理解和掌握。

⑤安装简单，维修方便PLC不需要专门的机房，可以在各种工业环境下直接运行。

使用时只需将现场的各种设备与PLC相应的I/O端相连接，即可投入运行。

各种模块上均有运行和故障指示装置，便于用户了解运行情况和查找故障。

1.7课题设计的目的和意义

自改革开放，我国经济高速发展，机械手早期应用在汽车制造业。

当面临人工无法实现的工作时，机械手成为了替代人工的替代品。

机械手的使用能够显著的提高生产效率，减少人为因素造成的废次品率。

机械手可以完成很多工作，它在自动化车间中用来运送物料，从事多种工艺操作。

它的特点是通过编程来完成各种预期的作业，在构造和性能上兼有人和机器人的部分优点，尤其体现了人的灵活协调和机器人的精确到位。

随着科学技术的发展，人们对机械手的安全性，可靠性，准确性有了充分的认识，同时对其要求也越来越高。

可编程控制器凭其稳定性，简单性，强大性成为了目前应用最广的工业自动化支柱之一。

本课题在执行机构由电动和液压组成的结构基础上将PLC应用于其自动控制系统，完成机械手系统的设计。

2.机械手的概述

2.1机械手的概述

工业机器手由操作机（机械本体）、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置构成，是一种仿人手操作，自动控制、可重复编程、能在三维空间完成各种作业的机电一体化自动化生产设备。

特别适合于多品种、变批量的柔性生产。

它对稳定、提高产品质量，提高生产效率，改善劳动条件和产品的快速更新换代起着十分重要的作用。

   机器手并不是在简单意义上代替人工的劳动，而是综合了人的特长和机器特长的一种拟人的电子机械装置，既有人对环境状态的快速反应和分析判断能力，又有机器可长时间持续工作、精确度高、抗恶劣环境的能力，从某种意义上说它也是机器的进化过程产物，它是工业以及非产业界的重要生产和服务性设各，也是先进制造技术领域不可缺少的自动化设备.

机械手是模仿着人手的部分动作，按给定程序、轨迹和要求实现自动抓取、搬运或操作的自动机械装置。

在工业生产中应用的机械手被称为“工业机械手”。

生产中应用机械手可以提高生产的自动化水平和劳动生产率:

可以减轻劳动强度、保证产品质量、实现安全生产;尤其在高温、高压、低温、低压、粉尘、易爆、有毒气体和放射性等恶劣的环境中，它代替人进行正常的工作，意义更为重大。

因此，在机械加工、冲压、铸、锻、焊接、热处理、电镀、喷漆、装配以及轻工业、交通运输业等方面得到越来越广泛的引用.

机械手的结构形式开始比较简单，专用性较强，仅为某台机床的上下料装置，是附属于该机床的专用机械手。

随着工业技术的发展，制成了能够独立的按程序控制实现重复操作，适用范围比较广的“程序控制通用机械手”，简称通用机械手。

由于通用机械手能很快的改变工作程序，适应性较强，所以它在不断变换生产品种的中小批量生产中获得广泛的引用。

2.1.1机械手的组成

机械手的形式是多样的，但是其基本的组成都是相似的。

一般机械手由执行机构、传动机构，控制系统和辅助装置组成。

图2.1.1机械手的组成及相互关系

·执行机构

执行机构由手、关节、手臂和支柱组成，与人体手臂相似。

手为抓取机构，用于抓取工件。

关节是连接手与手臂的关键性原件，具有多方位旋转特性。

支柱用来支撑手臂，可做活动支柱方便机械手多方位移动。

·传动机构

传动机构用于实现执行机构的动作。

常用的有机械传动、液压传动、气压传动，电力传动等形式。

·控制系统

机械手按照制定的程序，步骤，参数进行动作完成该指定工作要依靠控制系统来实现。

简易机械手通常情况下不使用专用的控制系统，只有动作复杂的机械手采用可编程控制器，微型计算机控制进行动作。

·辅助装置

辅助装置主要是连接机械手各部分元件的装置。

机械手按用途分类为：

专用机械手、通用机械手。

按照传动方式分类为：

液压式机械手、气动式机械手、机械式机械手和电动机械手。

2.1.2应用机械手的意义

随着科技的发展，机械手应用的越来越多。

在机械工业中，机械手应用的意义概括如下：

·提高生产过程自动化程度，增强生产效率。

机械手方便与材料的传送、工件的装卸、刀具的更换等自动化过程，从而提高劳动生产率和降低劳动投入，从而降低生产成本。

·改善劳动条件

在车间的劳动环境下，高温、高压、噪音、灰尘等污染会严重影响人的身体健康，人在车间工作不可避免的会接触到危险，而应用机械手可以替代人安全的完成作业，从而改善劳动条件。

在一些简单，重复的工作中以机械手代替人进行工作可以避免因疲劳和疏忽造成的事故。

·减少人力资源，便于节奏生产。

机械手的应用增强了自动化生产，会减少人力的使用。

机械手可以长时间重复性连续完成工作，这是人工无法实现并完成的。

生产线增加使用机械手以减少人力和精准的生产节拍，有利于节奏性的工作生产。

综上所述，机械手的合理利用是机械行业发展的必然趋势。

2.2机械手采用PLC控制的优点

机械手不止有一种控制系统，一些控制系统或多或少会存在一些缺点，而这些缺点在自动化生产中会造成不可避免的损失。

而PLC控制的机械手在工业应用上表现最为突出，我们从几方面论述一下PLC控制机械手的优点。

·控制方式：

电气控制属于硬接线，逻辑一旦确定，要改变逻辑或增加功能非常困难；而PLC控制是软接线，改变控制程序即可实现逻辑的改变或增加功能。

·工作方式：

电气控制是并行工作，而PLC是串行工作，不受制约。

·控制速度：

电气控制速度慢，触电易动；PLC通过半导体控制，速度快，无触点，无抖动。

·可靠性能：

电气控制触点多，会产生磨损和电弧烧伤，接线多，可靠性差；PLC无触点，寿命长，具有自诊功能，执行程序监控，调试和维护方便。

3.机械手的控制系统

3.1控制系统设计的基本步骤

机械手系统设计和调试的主要步骤，如下图3.1所示：

图3.1系统设计步骤图

在机械手控制系统的设计过程中需考虑以下几点：

了解分析机械手工艺设计和控制要求。

确定I/O设备。

根据机械手控制系统的功能要求确定所需的用户输入输出设备。

常用的输入设备有行程开关、按钮、选择开关、传感器等，输出设备有继电器、指示灯、接触器等。

选择适合I/O点数的PLC。

分配PLC的I/O点，编制输入输出分配表接线图。

设计机械手控制系统梯形图，根据需要设计完整的梯形图程序。

测试PLC程序，查找错误。

调试机械手，进行联机调试，查找问题。

3.2控制系统的要求

机械手动作过程：

自原点起，按下启动按钮，下降电磁阀通电，机械手开始下降。

当机械手下降碰到限位开关时，下降电磁阀断电，机械手停止下降；同时接通夹紧电磁阀，机械手夹紧，上升电磁阀通电，机械手开始上升，直至碰到上限开关，上升电磁阀断电停止上升。

使用伺服电机控制机械手开始旋转，180°后机械手停止旋转。

接通右移电磁阀使机械手向右移动直至碰到右限位开关，右移电磁阀断电，机械手停止右移。

左工作台无物料时光电开关接通，下降电磁阀通电，机械手下降。

直至碰到下限位开关，下降电磁阀断电，机械手停止下降，同时夹紧电磁阀断电机械手放松，完成物料搬送。

机械手放松后上升电磁阀通电使机械手开始上升，碰到上限位开关上升电磁阀断电，上升停止；接通左移电磁阀，机械手左移，碰到左限位开关，机械手停止左移，机械手底座旋转180°回到原点，完成一周期动作。

图3.2.1机械手动作简图

图3.2.2机械手功能图示

图3.2.3机械手传动系统及控制面板示意图

图3.2.4机械手传送系统I/O点分配表

图3.3.3控制系统原理接线图

3.3系统及原理

机械手有手动、单周期、多周期和回原点、连续五种工作方式，机械手在最上面、最左边且电磁铁线圈断电，称为系统处于原点状态（或称初始状态）。

在用户程序中，坐限位开关，上限位开关的常开触点和表示电磁铁线圈断电常闭触点的串联电路接通时，“原点条件”辅助继电器变位NO。

在通过初始化指行IST利用辅助继电器来决定机械手的工作方式，在单周工作方式下，在初始状态按下启动按钮后，机械手从初始步开始一个接一个周期地反复连续的工作。

在按下停止按钮并不马上停止工作，完成最后一个周期的工作后，系统才返回并停留在初始步。

在单步工作方式下，从初始步开始，按下按钮系统转换到下一步完成该步任务后，自动停止工作并停留在该步，再按一下启动按钮才转到下一步。

单步工作方式常用于系统的调试。

在选择单周期，多周期和单步工作方式之前，系统应处于原点状态，如果不满足这一条件，可选择回原点工作方式。

机械手的一个工作周期（动作顺序）为下降、夹紧、上升、右行、下降、释放、上升、左行返回。

当机械手在原点状态时，按下启动按钮，机械手下降到为达下限位时，下限位处于断电状态。

夹紧，然后机械手上升，上升到上限位时，机械手臂右行。

当右行到右限位时，机械手下降，下降到下限位时气抓断电，释放工件，工件放入指定位置。

然后回到原点。

当机械手在原点时，按下启动按钮，机械手下降到为达下限位时，接通，夹紧工价，机械手上升，上升到上限位时，机械手臂右行，当右行到限位开关时机械手下降，下降到下限位时，气抓放松。

然后回到原点位置，机械手动作完成。

3.3.1系统原理

图3.3.1系统原理图

3.3.2操作系统

操作系统包括回复原点程序，手动单步操作程序及自动连续操作系统。

如图所示：

图3.3.2机械手操作系统程序

原理：

把旋钮重置于原点，X16接通，系统自动返回原点，Y5驱动指示灯显示。

把旋钮置于手动，X6接通，常闭触头打开，程序不跳转（CJ为跳转指令，CJ驱动跳至指针P所指P0处）开始执行手动程序。

之后执行CJ指令时由于行X7常闭触点将跳至P1所指的结束位置。

旋钮置于自动，即X6闭合X7打开，程序执行时将跳过手动程序执行自动程序。

3.3.3回零程序

回零程序如图3.3.3所示。

S10~S12作为回零操作原件。

当使用S10~S19作为回零操作在最后状态复位前应使特殊继电器M8043置1。

图3.3.3回零状态示意图

3.3.4手动操作程序

如图所示。

图中上升/下降，左移/右移有连锁和限位保护。

图3.3.4手动单步操作系统图

3.3.5自动操作程序

如图所示，当机械手处于原位按下启动按钮X0，状态转移到S20，驱动下降Y0，到达下限位行程开关X1接通，状态转移S21，S20自动复位。

S21驱动Y1延迟一秒以便使电磁力达到最大夹紧力。

当T0接通，状态转移到S22，驱动Y2上升，当上升达到上限位X2接通，状态转移到S23，驱动Y3右移。

达到右限位X3接通，状态转移到S24下降，当达到下限位X1接通，电磁铁放松，并延迟一秒。

后T1接通，状态转移S26上升，达到上限位X2接通，S27左移，达到左限位X4接通，返回初始状态。

一次循环完成。

图3.3.5自动操作流程图图

3.3.6传送梯形图

如图所示，第0行到第27行为复位状态。

第28行到第66行为手动单步操作程序。

第67行到129行为自动操作程序。

这三部分模块是图3.3.2的操作系统运行的。

回零程序和自动操作系统是用步进顺控方式编程。

回零程序不能自动返回初始状态S1，自动操作程序可以自动返回初始状态S2。

图3.3.6机械手传送梯形图

结论

本课题所设计的机械手的操作过程是由电动机和气缸组成执行机构作为驱动，系统采用可编程控制器控制，运用步进顺序控制编程，程序简单且便于调试。

通过PLC本身通信接口与计算机联网，对现场操作的各项参数进行监测、修改、调整，使系统处于最佳工作状态。

利用PLC控制机械手相对于其它控制方式，具有很高的可靠性，较好的性价比，较强的可操作性和实用性。

就本课题设计的目的，实际应用运行良好，大大方便了工作和生活。

通过这次的毕业设计，我学到了很多东西，在做设计的过程中对工作的细心得到了提高，认识到自己在这方面的不足。

并且，对本设计的内容有了更好的了解，比如加深了解了有关可编程控制器的功能，还有机械手的工作原理等等。

通过做这个设计，对以前不足的知识进行弥补，在指导老师那里学到了很多宝贵的东西，这些都是对我很有帮助的。

参考文献

[1]李国平编著，《基于PLC控制的气动机械手实验装置的研制[J]》，液压与气动，2003

[2]常晓玲编著，《电气控制系统与可编程控制器》，北京；机械工业出版社，2004

[3]范建东编著，《可编程控制器原理及应用》，广州；华南理工大学出版社，2003

[4]李乃夫编著，《可编程控制器原理、应用》，北京；中国轻工业出版社，2003

[5]郝海青编著，《串联